Группа физиков из нескольких российских научных центров, включая новую лабораторию прикладных терагерцевых технологий МФТИ, представила новые данные о механизме работы сверхчувствительных детекторов, способных зарегистрировать единичные кванты света.
Такие детекторы изобрели российские физики еще в 2001 году, и их делают на основе сверхпроводящих нанополосок. Когда световой квант, фотон, попадает на нанополоску, он нарушает ее сверхпроводящее состояние и за счёт этого меняет протекающий по ней ток. На сегодня такие устройства производят серийно, используют в целом ряде прикладных задач, но вот исчерпывающего представления о физических процессах внутри однофотонного сверхпроводящего детектора у физиков до сих пор нет. Что, естественно, ограничивает дальнейшую работу по совершенствованию подобной техники.
Ключевой вопрос заключается в том, как же именно попадание фотона в нанополоску нарушает сверхпроводимость. Одна теория гласит, что в месте поглощения фотона возникает «горячее пятно»: кусочек полоски нагревается, однако эта нагретая область не перекрывает всё сечение сверхпроводника. А альтернативное объяснение, модель «горячего пояса», предполагает появление такой же, но уже полностью закрывающей нанополоску зоны: учёные, представившие свою статью в журнале Physical Review B (Phys. Rev. B 92, 104503 (2015), см. также препринт) решили выяснить то, какая же модель корректно описывает процессы в детекторе.
Пример сверхпроводящего детектора на основе нанополосок (иллюстрация любезно предоставлена авторами исследования)
Для этого физики из Института физики микроструктур РАН, Нижегородского государственного университета, Московского педагогического государственного университета, МФТИ и Высшей школы экономики воспользовались сочетанием разных методов. Они поставили ряд экспериментов с помещением нескольких детекторов (в основе которых лежали нанополоски разного типа) в магнитное поле, а также смоделировали поведение детектора на основе модели «горячего пятна». Сопоставление данных моделирования с экспериментальными результатами показало, что эта модель корректно описывает поведение детектора; учёт же данных, ранее полученных в другой серии экспериментов, позволил отвергнуть идею «горячего пояса».
В новой статье речь идёт о том, что сверхпроводящие нанополоски реагируют на попадание в них квантов света движением абрикосовских вихрей, т.е. вихрей электрического тока, возникающих вокруг нормальной области в сверхпроводнике. Причём, если фотон попадает в центр сверхпроводника, то образуется пара вихрей с токами, текущими в разные стороны. Эти два вихря сразу начинают двигаться в разные стороны, что приводит к появлению электрического сопротивления. А если квант поглощён у края нанополоски, то нарушение сверхпроводимости возникает за счёт появления на краю полоски одного вихря, который начинает двигаться поперёк полоски. Кроме того, физики выяснили зависимость сверхпроводящих свойств нанополоски и свойств детектора в целом от размера горячего пятна и величины внешнего магнитного поля.
Понимание фундаментальной природы поглощения фотонов сверхпроводящими нанополосками позволит учёным и конструкторам создавать более эффективные устройства самого разного назначения. Однофотонные детекторы нужны для построения оптического квантового компьютера, создания абсолютно защищённых систем связи на основе квантовой криптографии, а также для реализации сверхдальней космической связи в оптическом диапазоне.
